海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)的影響

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摘要：聲納系統(tǒng)對(duì)海洋中目標(biāo)的探測(cè)依賴于海面、水下和海底等海洋環(huán)境，聲納系統(tǒng)作用的距離也與海洋的水文環(huán)境密切相關(guān)，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)同樣一部聲納在不同的海域、不同的海洋環(huán)境中的探測(cè)性能相差十分懸殊。因此，面對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，我們要想正確熟練的操作聲納裝備就必須充分了解海洋環(huán)境和海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)的具體影響，這樣才能在深海環(huán)境中占據(jù)有利的位置。文章作者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了海洋中水聲環(huán)境的復(fù)雜性以及聲納裝備的各種特點(diǎn)，并闡述了海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)使用性能的影響，最后總結(jié)了聲納系統(tǒng)與海洋環(huán)境相適應(yīng)的具體方法和對(duì)策以期為相關(guān)人員提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；聲納系統(tǒng)；影響；研究

1水聲壞境的復(fù)雜性

1.1季節(jié)性特點(diǎn)

季節(jié)因素對(duì)海洋中水聲傳播具有一定的影響，由于各個(gè)季節(jié)海洋中日照程度、氣溫、海流方向和海洋中風(fēng)浪大小各不相同，因此聲音的傳播和聲速的變化具有強(qiáng)烈的季節(jié)性特點(diǎn)。在這些影響因素中，氣溫對(duì)聲音傳播的影響程度最大。通常來(lái)說(shuō)，在冬季海洋中海水表面的溫度較低，聲速分布上看呈正梯度分布，聲線向海面方向彎曲，因此在冬季聲納的探測(cè)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，探測(cè)效果相對(duì)較好。在夏季，白天海面的日照時(shí)間較長(zhǎng)海水的溫度變化較大，海水的水溫情況較復(fù)雜；具體形容為海水表層的溫度較高，但隨著水深的增加海水的溫度逐漸下降，此時(shí)溫度分布由上至下呈現(xiàn)倒梯形分布，聲速的傳播同樣也是由上向下呈現(xiàn)倒梯形分布，聲線傳播的路徑由海面彎向海底，因此相對(duì)于冬季來(lái)說(shuō)，夏季聲納的探測(cè)距離較近，探測(cè)效果相對(duì)較差。第二，不同的季節(jié)風(fēng)向和風(fēng)力程度不同，舉個(gè)例子海水表層如果受到臺(tái)風(fēng)的影響，臺(tái)風(fēng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將一定深度以內(nèi)的海水?dāng)嚢璩蔀榈葴貙?，這導(dǎo)致在一定深度之內(nèi)海水的溫度都是相同的，而在等溫層以下海水的溫度會(huì)大幅度下降出現(xiàn)溫度的極度跳躍，這個(gè)溫度跳躍層可能很薄但是會(huì)將海水劃分為兩個(gè)區(qū)域，這個(gè)溫度的跳躍對(duì)高頻聲波有極強(qiáng)的屏蔽作用，聲波穿越的時(shí)候聲線會(huì)發(fā)生急劇的彎曲對(duì)聲波的傳遞造成嚴(yán)重影響。第三，一些時(shí)候遇到晝夜溫差較大的海域，對(duì)聲音的傳播也會(huì)造成較大的影響進(jìn)而影響聲納的探測(cè)效果；在白天海洋的日照時(shí)間較長(zhǎng)日照較充分，海水表面的溫度較高，上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，這時(shí)候溫度的變化由上至下成為倒梯形，而在夜晚海水表層的溫度下降，溫度低于深海溫度這時(shí)溫度由上至下形成正梯形分布，這就是我們知道的“午后效應(yīng)”，根據(jù)季節(jié)性的特點(diǎn)，夏季的這種“午后效應(yīng)”要比冬季的更為明顯。

1.2區(qū)域性特點(diǎn)

在海洋上劃分可以將海域分為深海區(qū)域和淺海區(qū)域，這兩種區(qū)域?qū)λ暤膫鞑ヒ簿哂胁煌挠绊?。在深海區(qū)域，聲音傳播的聲速可以分為表面層、躍變層、主躍層和深海等溫層，其中主躍層和深海等溫層構(gòu)成了深海聲道，這時(shí)候聲道附近的聲波在聲道軸上下反復(fù)傳播，聲波主要被聚集在這一范圍摘要：聲納系統(tǒng)對(duì)海洋中目標(biāo)的探測(cè)依賴于海面、水下和海底等海洋環(huán)境，聲納系統(tǒng)作用的距離也與海洋的水文環(huán)境密切相關(guān)，內(nèi)傳播，很少的一部分能夠經(jīng)過(guò)海面和海底的反射，因此聲波的聚集程度較高損失量較小，聲波可以在這一范圍之內(nèi)傳播很遠(yuǎn)。而在淺海海域，海面會(huì)反射大量的聲波同時(shí)海面也是聲散射體，遇到海面不平靜時(shí)其對(duì)聲波的影響程度就更大；另外，海底也是較大的聲反射體和散射體，海底存在大量的泥沙、巖石且這部分物質(zhì)的密度大不相同，因此造成在海底聲音的反射應(yīng)難以預(yù)估，由于在淺海海域，海面與海底之間的距離較小通常只有二三百米，聲音在這段距離內(nèi)經(jīng)過(guò)多次的反射和散射造成聲波的損失程度較大，而且有很多因素也會(huì)造成聲波發(fā)生畸變，因此在淺海，聲波的傳遞以及聲納系統(tǒng)的探測(cè)效果就要比深海區(qū)域差得多。

2海水中聲音傳播的特性

海洋聲學(xué)環(huán)境主要包括海洋中的噪音、聲速梯度的分布，聲音傳播的特性和海底聲學(xué)特性等因素。聲音傳播速度低是海水聲學(xué)傳播的特性之一，在海水中聲音的傳播速度一般為1500米每秒。第二點(diǎn)，在海水中聲音的傳輸并不是按照直線進(jìn)行傳播的，因此海水的環(huán)境較為復(fù)雜，存在溫度、壓力和密度差距等因素，這些會(huì)造成聲波在傳播的過(guò)程中形成彎曲，其中影響程度最大的是溫度因素。第三，在淺海海域，海洋邊界即海面和海底對(duì)聲音傳播造成的影響是不可忽略的，海面和海底都會(huì)不同程度的讓聲波形成反射和散射，這些現(xiàn)象的合成效果較為復(fù)雜且影響程度較大。

3聲納裝備的特點(diǎn)

在水下獲取信息的最佳方式就是通過(guò)水下聲納系統(tǒng)，聲納裝備在具體的使用過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：3.1聲納性能受到環(huán)境的影響比較大聲納系統(tǒng)的特性受到周圍環(huán)境的影響程度較大，由于海洋中環(huán)境復(fù)雜多變各種不確定因素較多，使得海水中聲納系統(tǒng)的性能不確定，折射效應(yīng)、散射效應(yīng)以及海面和海底的不平整都會(huì)對(duì)聲音的傳播以及聲納信號(hào)造成影響，影響聲納系統(tǒng)的性能。3.2聲納性能受安裝平臺(tái)的限制和影響聲納系統(tǒng)的性能同樣會(huì)受到安裝平臺(tái)的影響，聲納系統(tǒng)安裝平臺(tái)的大小，地理位置等都是有限制的，無(wú)法隨意的增大換能器的尺寸去提高聲納裝備的性能，同時(shí)平臺(tái)自身還會(huì)在工作中產(chǎn)生噪聲，噪聲傳播出去形成背景噪聲對(duì)聲納的探測(cè)性能形成一定程度的影響。

4海洋壞境對(duì)聲納使用性能的影響

4.1溫度對(duì)聲納使用性能的影響

由上文可知溫度是對(duì)海洋聲納系統(tǒng)使用性能影響最大的因素之一，海洋各層溫度不同形成的溫度梯層會(huì)嚴(yán)重的妨礙水下的探測(cè)距離和效果，對(duì)于等溫的海水來(lái)說(shuō)聲納的作用距離可以達(dá)到3500米，但是對(duì)于介質(zhì)是負(fù)躍層的海水來(lái)說(shuō)聲納的作用距離大概只有1000米左右。

4.2海洋中各層對(duì)聲納使用性能的影響

海洋中存在表層聲道、深海層聲道，并且有遠(yuǎn)程傳播區(qū)和海面海底反射等現(xiàn)象的存在，這些現(xiàn)象造成聲音聲陣傾角和接收扇面之間的變化相對(duì)復(fù)雜。在理論上來(lái)說(shuō)如果知道發(fā)射源、海洋海況以及聲場(chǎng)的數(shù)據(jù)就可以推算出海洋中任何地方的聲場(chǎng)，但是實(shí)際操作上看想要精確得出數(shù)據(jù)是很困難的，只能粗略的得出一些結(jié)果。

4.3聲線彎曲對(duì)聲納系統(tǒng)工作的影響

聲速的梯形分布對(duì)聲納系統(tǒng)探測(cè)的效果影響也很大，有的梯度可以增加聲線的傳播距離，有的梯度就減小聲線的傳播距離。下面就正梯度、負(fù)梯度和聲道型分布做個(gè)簡(jiǎn)要的闡述：（1）聲速正梯度分布一般較易出現(xiàn)在冬季，這時(shí)聲音聲線向海面方向彎曲，聲速正梯度分布通常情況下只出現(xiàn)在海面表層，如果利用回音站探測(cè)目標(biāo)，目標(biāo)存在方位較淺正好在正梯度的范圍內(nèi)，水聲探測(cè)器探測(cè)的距離就較遠(yuǎn)，如果目標(biāo)在深海海域，聲波就傳播不到目標(biāo)深度，這時(shí)候水聲器材就無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)物體。因此盡管冬天的探測(cè)距離較遠(yuǎn)，也對(duì)目標(biāo)物的存在水層深度有一定的要求。（2）聲速負(fù)梯度分布一般較易出現(xiàn)在夏季，這時(shí)聲音聲線向海底的方向彎曲，在這種情況下水平方向上的工作距離會(huì)受到較大程度的影響，聲波的傳播距離相對(duì)較近。這時(shí)候作為水面水聲探測(cè)器材針對(duì)不同深度的目標(biāo)探測(cè)的效果和距離存在一定的差異，值得注意的是這時(shí)候如果探測(cè)目標(biāo)較深，距離較近的目標(biāo)反而比較容易探測(cè)。（3）對(duì)于聲道型聲速分布來(lái)說(shuō)，聲音會(huì)比較集中的分布在上下兩層水面中間的部分進(jìn)行傳播，這時(shí)候如果目標(biāo)物體恰巧存在于這一范圍內(nèi)，那么探測(cè)距離勢(shì)必會(huì)很遠(yuǎn)，如果探測(cè)目標(biāo)在聲道層范圍之外那么隱蔽性就會(huì)很好一般情況下很難被探測(cè)到?？偠灾暰€彎曲對(duì)聲納系統(tǒng)探測(cè)效果的影響是十分明顯的，需要我們?cè)诓粩嗟墓ぷ骱蛯?shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)具體的水文情況分析具體的聲音梯度分布并準(zhǔn)確的操縱聲納，確保能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物體。

5聲納裝備與海洋環(huán)境相適應(yīng)的方法與途徑

第一，隨著水聲建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠減輕環(huán)境因素對(duì)聲納探測(cè)系統(tǒng)影響的技術(shù)不斷被探索研究，現(xiàn)階段可以利用環(huán)境自適應(yīng)聲學(xué)處理技術(shù)，解決聲納裝備自身與環(huán)境的問(wèn)題，這種技術(shù)主要包括：采用復(fù)雜信道非平面波。非平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù)，采用復(fù)雜海洋環(huán)境條件下的揚(yáng)聲建模技術(shù)以及發(fā)展低頻寬帶大功率水聲換能技術(shù)等。第二，可以適當(dāng)?shù)囊M(jìn)國(guó)外更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家聲納技術(shù)起步早發(fā)展快，各種海洋環(huán)境中的聲音測(cè)量方法和技術(shù)已經(jīng)較為成熟，因此我們要想讓我國(guó)聲納裝備與海洋環(huán)境更好地契合適應(yīng)就應(yīng)該多吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和案例。

6結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)的影響有一定的規(guī)律性和普遍性，為了更好的發(fā)揮聲納系統(tǒng)的性能使之更好的服務(wù)于海洋探測(cè)事業(yè)就一定要加強(qiáng)對(duì)聲納系統(tǒng)在海洋環(huán)境中適應(yīng)性的研究，最終達(dá)到克服海洋環(huán)境對(duì)水聲系統(tǒng)影響的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉夢(mèng)庵.水聲工程[M].杭州：浙江科學(xué)出版社，2002.

[2]田坦，劉國(guó)枝，孫大軍.聲納技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

作者：佟宏偉 單位：中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)